JPH071792B2 - 光学通信システム - Google Patents

光学通信システム

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JPH071792B2
JPH071792B2 JP60004841A JP484185A JPH071792B2 JP H071792 B2 JPH071792 B2 JP H071792B2 JP 60004841 A JP60004841 A JP 60004841A JP 484185 A JP484185 A JP 484185A JP H071792 B2 JPH071792 B2 JP H071792B2
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H04B10/801—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water using optical interconnects, e.g. light coupled isolators, circuit board interconnections

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光学通信システムに関するもので，とくに半導
体基板上に設けた複数のチップ間で互いに通信を行なう
システムに係わるものである． ［従来の技術］ 従来の複合半導体回路は多くの場合，合成樹脂またはセ
ラミックの回路板に半導体パッケージを装着し，該回路
板上に形成した導体を介して，個々の半導体パッケージ
を互いに連結ないし導通させている． ［発明が解決しようとする問題点］ このような回路板においては，回路を構成する各素子を
回路板の表面に十分広く形成することにより，熱の発散
やクロストーク等の問題を最小限に留めている．上記の
ような従来の半導体回路においてはさらに，伝送する信
号のクロックレートが約50メガヘルツ以上になると，印
刷回路板上の導体がそれ自体伝送ライン（分布定数線
路）としてはたらくようになり，キャパシタンスやイン
ダクタンスの影響が出始める．このため，通常の伝送ラ
インの場合と同様，インピーダンスマッチングを適正に
して，反射現象等が起らないようにするなど適宜の対策
を講じる必要がある．ただし，このような問題は比較的
軽微なものであるため，これまでは伝送する信号のクロ
ックレートが約10メガヘルツ以下の場合，一般にはとく
に関心事となることはなかった．しかしながら，回路素
子での動作の高速化および集積回路チップ自体の小型化
が進み，印刷回路板の集積度向上に対する要望が高まる
にともなって，上記のような問題が次第にネックとなる
に至っている．たとえば集積回路パッケージの入出力ピ
ンの本数は，該集積回路パッケージに含まれる回路素子
の個数が急速に増大するにつれて増大し続けており，こ
のため，各ピンやこれにつらなる伝送路において，いか
にして上述のような反射現象その他の伝送ラインに付随
する問題を解決するかという課題が増大している．さら
にまた，印刷回路板上におけるチップの集積度のみなら
ず，個々のチップにおける回路素子の集積度が増大した
結果，入出力ドライバ回路における発熱の問題もある． ［問題点を解決するための手段］ 上述のような従来技術における問題を軽減すべく，本発
明はシリコン元素により切片状に形成した回路板と，好
ましくは第III−Ｖ族化合物により形成した半導体集積
回路として構成した回路構成要素とからなる複合回路を
提供するものである．各集積回路からの信号は，当該回
路板上の他の集積回路あるいは該回路板外部の集積回路
に，通常の印刷導通路，あるいは好ましくは各集積回路
の各出力素子に形成されてシリコン回路板内の光伝導素
子を介して，当該回路板上の他の集積回路の入力素子を
構成する感光素子に光信号を伝えて，該回路板外部に伝
送するようにしたレーザを介して伝送される．この場合
各発光出力素子は好ましくはこれをレーザダイオード等
により構成し，また各発光入力素子は好ましくはこれを
感光ダイオード等により構成する． 光信号はある集積回路の出力から，一つの集積回路の入
力に，あるいは当該回路板外部のデバイスに，光伝導素
子を介して伝送される．これら光伝導素子は，光伝導ロ
ッドを該回路板の表面上に配設するか，あるいは回路板
に形成した溝内に埋設する等としえ形成することができ
る．あるいはまた，シリコンの回路板を選択的に酸化す
ることによって二酸化シリコン光導電路を形成して，こ
れら二酸化シリコン光導電路により上記光伝導素子を得
てもよい．いずれにしても各光伝導素子は，ある集積回
路からの発光出力素子と他の集積回路の受光入力素子と
の間を結合するか，あるいは当該回路板のエッジ部に延
在して該回路板外部への伝送を確保する．個々の回路板
間等で光周波数の伝送を行なうことにより，多数のピン
を用いるデバイスやコネクタにおいて従来必要とされて
いた伝送路を，わずか１本の光伝送路ですますことが可
能となり，従って従来の標準的な非光周波数型の回路板
間における通信に用いる電力を供給するのに必要とされ
ていたドライバ回路が不要となるのみならず，上述した
ような従来の問題も解消することができるのである． 光伝導素子を発光出力素子および受光入力素子に連結す
るには，公知の光導電性エポキシ等の通常の結合手段を
用いる．このような結合技術としてはたとえば「Phto-C
oupled Logic-A Hopeful Prospect」（D.A.フレーザ−,
31-34頁），「Coupling Light Sources to Fibers」
（マーク・Ｌ・ダクス,Laser Focus 1975年12月号31-34
頁），「Optical Waveguids Fabricated by Preferenti
al Etchin」（ウォン・チェン・ツァン，チェン・チュ
ン・ツェン，シー・ワン,Applied Optics第14巻第５号,
1975年５月,1200-1206頁），「Optical Coupling from
Fibers to Channel Waveguides Formed om Silicon」
（J.T.ボイド,S.スライラム，「Applied Optics」第17
巻第６号,1978年３月15日,895-898頁），「ALow-Scatte
ring Graded-Inedx SiO2 Planar Optical Waveguide Th
ermally Grwon on Silicon」（デービッドE.ゼルモン
他,Applied Physics Letters第42巻第７号,1983年４月
１日,665-666頁），「GaAs Optical Electronic Device
s for Signal Processing Application」（L.R.トーム
セッター,SPIE 第176巻「Guided Wave Optical Systems
and Devices II」111-114頁）等にその記載がある． ［実施例］ 次に図面を参照して本発明の実施例を説明する．第１図
および第２図において，回路板１はシリコン切片により
形成され，その表面には複数個の半導体チップ３を設け
てなるものである．これら半導体チップ３は好ましくは
第III-V族物質により形成され，回路板１の上面に適宜
の接着方法により固設されている．回路板１の内部もし
くはその表面上には，後述する態様で複数の光ファイバ
チャンネル５が形成されている．各チップ３は第３図に
示すように，少なくとも１個の発光出力素子９および同
じく少なくとも１個の受光入力素子11,あるいは少なく
ともその一方を有し，結合素子７により該出力素子９は
上記光ファイバチャンネル５に，またこれら光ファイバ
チャンネル５は受光入力素子11に，それぞれ接続されて
いる．発光出力素子９は，好ましくは，レーザダイオー
ドで構成され，一方，受光入力素子11は，好ましくは，
ホト感光ダイオードで構成され，両者は，光ファイバチ
ャンネル５に接続されている．第３図に示されるよう
に，個々の光ファイバチャンネル５は，さらに，複数の
回路板どうし，あるいは回路板と外部の発光出力素子お
よび受光入力素子あるいはその一方を互いに連結する役
割を果たすものである． 光ファイバチャンネル５は各種の方法でこれを形成する
ことができる．第一の実施例では，上記回路板１の上面
に溝を設けて，この溝内に通常の光ファイバ素子を埋設
して光ファイバチャンネル５とする．このように通常の
光ファイバ素子を用いる場合は，回路板を形成する材料
は必ずしもシリコンでなくともよく，一般に回路板に用
い得る材料ならばどのようなものを用いても差し支えな
い．光ファイバチャンネル５を形成する第二の実施例
は，回路板１としては結晶シリコンを用いて，通常の半
導体酸化技術により光ファイバチャンネル５を形成する
ものである．この場合には，たとえば回路板１の表面に
シリコン窒化物のパターンを形成し，次いで，光ファイ
バチャンネルを形成すべき領域にエッチングを施すこと
により，シリコンの露出部を酸化させて，該光ファイバ
チャンネルのための溝を二酸化シリコンで満たすか，あ
るいは上述のようにシリコン窒化物のパターンを形成し
た後，シリコン露出部を酸化させ，必要あるいは所望な
らば適宜の厚さに形成された二酸化シリコン層の裏側を
選択的にエッチングすることにより，光ファイバチャン
ネル５を形成する等とする．このようにシリコンの回路
板を酸化させることによって形成された二酸化シリコン
層は，光ファイバチャンネルとしての役割を果たすもの
で，前掲の公知文献にも示されているように，光伝導性
をもつものである． 半導体チップ３は前述のように好ましくは第III-V族化
合物，さらに好ましくは砒化ガリウム（GaAs）により形
成され，従って回路の個々の構成素子のみならず，レー
ザダイオード等により構成される前記発光出力素子９の
うち少なくともひとつ，あるいは前記受光入力素子11を
構成する受光装置のうち少なくとも一つ，もしくはこれ
ら両者をチップの各々内に形成することにより，各チッ
プにおける信号の出入りを可能として,I/O端子を構成す
ることができる．なお，各チップには複数個の光学出力
素子９および同じく複数個の光学入力素子11を設けるこ
とができる． 前記光ファイバチャンネルないし光導路５の各々は光の
伝送路を構成するものであり，また使用する光信号の帯
域巾は約2GHzまでとすることができるため，たとえばそ
れぞれ200MHzの帯域巾をもつ電気信号10個を本の光ファ
イバチャンネル５ですますことが可能となる．従って，
同一の伝送ラインに複数の信号を流すことができるた
め，それに応じた数の入出力端子をチップ自体から物理
的に除去することができ，チップのスペースに対する必
要条件が相当に緩和されることとなる．さらにまた，光
信号を用いているため，高周波を用いた場合に付随する
インピダンスマッチングその他の問題が解消されるとと
もに，光信号を光伝導手段としての光ファイバ内に閉じ
込めているため，チャンネル間にストロークが生じると
いう問題もない．また光伝送方式としたため，発熱の問
題も実質的に最小限とすることもできる． 第４図に本発明の第三の実施例を示す．この実施例にお
いては，シリコンの回路板21の表面の所定の領域に複数
のメサ部23を形成し，いわゆる「フリップチップ」とし
て知られるタイプの砒化ガリウムチップ27の表面に形成
した整合孔25に，これらメサ部23を対向させて，該チッ
プ27を該回路板21上に係止するものである．該メサ部23
は通常のオリエンテーション・デペンデント・エッチャ
ント（ODE）を用いて形成することにより所望のメサ部
形状とする．チップ27はレーザダイオード29を有し，前
記メサ部23を選択的に形成することにより，このレーザ
ダイオード29は回路板21の表面に設けられた光学的結合
素子ないしリンク31と整合し，同一の直線上にある．こ
の光学的結合素子ないしリンク31は，回路板21に形成さ
れた溝内に光ファイバを埋設するかあるいは，回路21の
表面上に配設して構成可能である．あるいは前掲公知文
型に教示されているように，前述のようにして回路板21
に二酸化シリコンで形成した伝送路によりこれを構成し
てもよい．第４図の実施例においてはさらに，チップ33
を前記のメサ部23と同様のメサ部35上に設け，このチッ
プ33のホトトランジスタ37を前記光学的結合子ないしリ
ンク31と整合させる．このような構成とすることによ
り，レーザダイオード29から発した光周波数の情報は，
光学的結合素子ないしリンク31を介してホトトランジス
タ37に送られることとなる．なおこの第三の実施例にお
いては,ODEメサ部23は上述のようにダイオードレーザ29
とホトトランジスタ37との間を整合させるほかに，チッ
プ27,33上のパッドと連結されてい電圧源や接地端子，
さらには信号の入出力端子を構成するものである． 以上第１図ないし第４図につき説明した回路板は第５図
に示すように，これを複数枚互いに積層して用いること
ができる．この場合積層した個々の回路板間の接続は通
常の電気的結線によってもよく，あるいはこれとは別
に，または該電気的結線と組み合わせて，光学的結合素
子ないしリンクを回路板間に設けてもよい．第５図に示
す例では４枚の回路板51が互いに上下に積層され，個々
の回路板51には砒化ガリウムチップ53が配設され，各回
路板上で光学的結合素子ないしリンク55により互いに連
結されているほか，各回路板51上の光学的結合素子ない
しリンク55と他の光学的結合素子ないしリンク55との間
には，光ファイバ（図示せず）が延在して個々の回路板
間を光学的導通させている． ［効果］ 以上記載したごとく，本発明は，それ自体を好ましくは
シリコン基板とした単一の回路板上のチップ間で通信を
行なうに当って，通常の集積回路製作技術を用いて該回
路板自体に光ファイバを形成するとともに，その回路板
自体を介して伝送される光信号の送出および受光用に第
III-V族化合物の半導体デバイスを用いることを可能と
した半導体デバイス中の光学通信システムに関連するも
のである．そして，特許請求の範囲第１項記載の発明に
よれば，支持手段には，導電性のメサ部を形成し，支持
手段上の第一及び第二の半導体デバイスには，上記メサ
部に対面してこれと接触する導電性パッドを形成する構
成としたことにより，第一及び第二の半導体デバイスを
支持手段上で位置決めして，整合配置するための上記メ
サ部が電気信号端子としても利用可能であるので，光学
通信システム全体をコンパクトにすることができるとい
う効果が奏される． さらに，特許請求の範囲第２項記載の発明によれば，支
持手段に形成された溝内に光ファイバーを埋設して，光
周波数伝送手段とする構成としたことにより，第５図に
示されるように，複数枚の支持手段を積層する場合，光
周波数伝送手段が積層方向に関して支持手段と干渉する
ことがないので，積層された支持手段間を密にすること
で，光学通信システム全体を積層方向に関してコンパク
トにすることができるという効果が奏される．そのう
え，光周波数伝送手段が支持手段内に埋設されていて，
支持手段間には，必要最小限度の障害物しか配置されて
いないので，支持手段上の第一及び第二の半導体デバイ
スからの発熱が有利に放熱されて，これらの半導体デバ
イスが適度に冷却されるという効果も奏される．
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による複合電子回路を示す平面図，第２
図は第１図の破線２−２に沿う断面を示す図，第３図は
レーザダイオードおよびホトトランジスタを介して一対
の光ファイバチャンネルに光学的に結合されたチップを
示す概略図，第４図は本発明による回路の他の実施例を
示す概略断面図，第５図は本発明による回路を複数個積
層して用いた実施例を示す斜視図である． 1,21,51……回路板,3,27,33,53……半導体チップ,5,…
…光ファイバチャンネル,7,31,55……結合素子,9,29…
…発光出力素子（レーザダイオード）,11,37……受光入
力素子（ホトトランジスタ）,23,35……メサ部，
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭48−46278（ＪＰ，Ａ) 特公 昭50−37993（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許3879606（ＵＳ，Ａ) 米国特許3962655（ＵＳ，Ａ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）半導体物質より形成された支持手段
    と， （ｂ）前記支持手段上に配設された光周波数伝送手段
    と， （ｃ）前記支持手段上に配設され，かつ前記周波数伝送
    手段と光学的に結合された光周波数出力装置を含む第一
    の半導体デバイスと， （ｄ）前記支持手段に配設され，かつ前記周波数伝送手
    段と光学的に結合された光周波数入力装置を含む第二の
    半導体デバイスとからなり， 前記支持手段の表面に複数個の導電性のメサ部が形成さ
    れ，前記第一及び第二の半導体デバイスは導電性パッド
    を有し，前記導電性パッドは前記メサ部と接触すること
    を特徴とする光学通信システム．
  2. 【請求項２】（ａ）半導体物質より形成され，互いに相
    隔てて上下に配設された複数の支持手段を有し，これら
    支持手段の各々は， （ｂ）前記支持手段上に配設された光周波数伝送手段
    と， （ｃ）前記支持手段上に配設され，かつ前記周波数伝送
    手段と光学的に結合された光周波数出力装置を含む第一
    の半導体デバイスと， （ｄ）前記支持手段に配設され，かつ前記周波数伝送手
    段と光学的に結合された光周波数入力装置を含む第二の
    半導体デバイスと， （ｅ）前記支持手段のうち複数の支持手段上の光周波数
    伝送手段を相互に結合する手段とからなり， 前記光周波数伝送手段は前記支持手段に形成された溝内
    に埋設された光ファイバーから構成されることを特徴と
    する光学通信システム．
JP60004841A 1984-01-16 1985-01-14 光学通信システム Expired - Lifetime JPH071792B2 (ja)

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US06/571,044 US5009476A (en) 1984-01-16 1984-01-16 Semiconductor layer with optical communication between chips disposed therein
US571044 1995-12-12

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JPS60169167A JPS60169167A (ja) 1985-09-02
JPH071792B2 true JPH071792B2 (ja) 1995-01-11

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